土洞成因、判定方法以及防治措施.docx

关于土洞成因、判定方法以及防治措施的探讨【摘要】土洞是岩溶的产物，是可溶岩地区特有的不良地质作用 在上覆土层中形成的洞穴，它是造成地面塌陷等地质灾害的主要诱 因，已成为覆盖型岩溶区工程建设的主要地质病害本文通过对岩溶 发育区土洞成因、形成机理和类型分析，判定方法探讨，以及一些预 防土洞塌陷发生的工程防治措施研究，对岩溶区预防土洞发展和塌陷 发生，防灾减灾，确保人民生命财产安全具有重要的理论及工程意义一、引言土洞是在覆盖型岩溶区最常见的不良地质作用之一，它的发育和 扩展，常常会引发地面变形、开裂或塌陷等地质灾害，地面塌陷具有 （时间）突发性、（地点）隐蔽性，征兆隐秘等特点，危害极大龙 岩市区属浅覆盖岩溶区，是岩溶土洞地面塌陷等地质灾害易发区，因 岩溶作用诱发的土洞地面塌陷时有发生，该区土洞地面塌陷多发生在 人口稠密、地势平坦的盆地中部主城区，主要沿隐伏断裂构造尤其是 导水断层方向成群发育（也是岩溶发育区），对地面和地下建构筑物、 道路及附属设施、管网，以及村庄农田等造成严重破坏，给人民生命 和财产造成巨大损失，并严重破坏地质环境，恢复治理很困难二、土洞成因 土洞的形成和发展是自然因素和人类工程活动即内因和外因共 同作用的结果，岩溶地质条件是土洞形成的内因，是产生土洞的基本 条件；人类工程活动是土洞发展的外因。

两者共同作用的结果将导致 加快土洞进一步扩展从而引发地面塌陷，给工程建设、地下空间开发 等带来严重安全隐患，是城市发展的制约因素之一关于土洞的成因机理，目前有许多观点及其理论，总的来说岩溶 区的区域地质构造、地貌、土层、构造、水文地质、岩溶发育情况是 土洞形成的决定性因素，其中主要控制因素是土的组成、成因类型、 矿物成分、岩性、结构及其物理力学水理性质、状态、厚度等岩溶 存在和地下水活动等是土洞的形成、发展以致产生塌陷的最活跃因 素，直接影响着土洞的形成和发展的快慢工程建设地基基础施工和 地下水开采、地表排水等人为改变地下水动力条件等诸多因素将造成 下部岩溶排水通道复活，进一步加剧土洞发展，特别是地下水位在基 岩面上下波动的幅度和频度，对崩解和搬运土粒的速度有重要作用， 是不良地质作用的“催化剂”根据研究成果，土洞形成和发展与下 列因素相关联1、潜蚀作用潜蚀作用是水对土的渗透、冲刷作用所产生的机械侵蚀，即在地 表水和地下水的渗流力作用下，土体中的细颗粒在空隙通道中移动并 被携带流失的一种机械作用在岩溶区，土层受水动力条件变化影响 较强烈，由于岩溶区地下水水力梯度大，流速较快，动水压力增强， 当水力坡度达到临界水力梯度时，土体中细颗粒被渗流迁移带走，粗 颗粒骨架不能支持其自重应力和附加应力时，即产生土洞甚至引发地 面塌陷。

临界水力梯度主要根据太沙基的渗流平衡理论并考虑土的凝 聚力，采用公式 JB二（Y s/ 丫-1）（l-n）+c'/ Y（Y s： 土粒重度、 Y：水重度、n： 土体的孔隙度、c':单位长度饱和粘性土的凝聚力） 进行估算判定，当土层中地下水渗流水力坡度大于临界水力梯度时， 土层开始产生潜蚀破坏，从上式可知，临界水力梯度愈大，土体抗潜 蚀的能力愈强，土的凝聚力对临界水力梯度有着较大的影响，两者呈 正相关关系，根据本地区沉积规律，盆地上部冲洪积沉积粘性土有较 大凝聚力，其临界水力梯度较大，土体不易发生潜蚀现象且过程十分 缓慢但由于岩溶盆地在基岩与第四系土层交接带往往分布有一定厚 度的含角砾粉质粘土，粗颗粒含量较高，细粒土尤其是粘粒含量少， 土体抗潜蚀能力较弱，这就是土洞多在岩土交界部位发育的原因此 外，潜蚀作用还与土颗粒的级配和颗粒的大小、形状有一定的关系， 级配良好的粘性土、粉土和砂土，其空隙相对较大，临界水力梯度较 低，抗渗流的能力较弱，因此交易产生潜蚀破坏；级配不良的砂、土 等，粗颗粒空隙常被细颗粒充填，较难发生潜蚀；混合土由于多粒组 断档，粗颗粒多被完全充填，较难以发生潜蚀作用；纯粘性土由于其 孔隙通道细小，土粒间有一定的粘结力，较不易产生单个颗粒的潜蚀 作用。

2、崩解作用 粘性土因没入水中受水浸泡而发生离析散体的现象叫崩解，水进 入土体空隙产生应力失衡，引起粒间扩散层增厚的速度不平衡即土体 饱水状况差异，因而产生了应力集中，使土体沿着斥力超过引力最大 的面崩落下来土体的成分、结构是影响其崩解性的主要因素纯粘 性土很少单独发生潜蚀作用，但由于土中常含有较多的亲水矿物，在 地下水的作用下相对封闭空间易发生崩解作用岩溶地区普遍有分布碳酸盐岩系经红土化作用形成的红粘土或 次生红粘土，含有较多的亲水矿物，他们的结构连结力较弱，易于水 化，遇水易产生崩解由于水化崩解后的土体将会在自重作用下脱离 土体，故土体不断产生新的临空面，使水化崩解过程可以向上部接续 发展，甚至在地下水相对静止的情况下，土体也因为有某些特性可以 产生较明显的崩解破坏裂纹一般来说，当土层出现干湿交替变化， 土层的含水量或饱和度产生较大变化时，土层更容易崩解这也是红 粘土中土洞塌陷多发生在暴雨过后水位上升，或者是在人为降水之后 的原因之一地下水升降是土层崩解形成土洞乃至塌陷最活跃的因素，地下水 位升降变化愈频繁，土体崩解速度愈快根据不同水位变化幅度的崩 解试验，土层的崩解率总体上随着水位变幅的增大而增大，而水流速 度的改变对土层崩解的影响在短期内是不大的。

除地下水动力因素外，地下水化学成分也是导致岩溶区土层溶解 崩落而造成土洞发育引发地面塌陷的原因之一不同水质的地下水对 土体崩解的影响存在着明显差异，其中，酸性水体的作用更具有破坏 性由于酸性液体渗入土体，是土体中的CaC03或CaMg(C03)溶解， 粒间连结力变小，土结构破坏3、真空吸蚀作用当经潜蚀作用和崩解作用形成较小规模的土洞后，在相对封闭的 土洞空间，地下水位大幅下降到土洞空腔底面下时，空腔上部便形成 相对真空，此时真空腔膛对盖层产生强大的抽吸力形成漩吸漏斗真 空吸蚀作用将进一步破坏土体的应力状态，从而造成土洞的进一步发 育和扩大真空吸蚀作用是在岩溶区特定的地质——水文地质结构体 系内，即岩溶真空地质环境中发生与发展的与岩溶网络地下水面下 降在土洞和土洞通道内造成的真空相关，水面升降反复吸蚀是导致土 洞周边土体结构机械破坏的原因之一。